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Un nuevo tipo de catalizador
Por primera vez, los químicos han diseñado catalizadores que se activan por estrés mecánico. Incrustados en revestimientos autorreparables, estos catalizadores pueden iniciar reacciones de reparación cuando se rayan o se someten a tensión. Los catalizadores activados mecánicamente también podrían encontrar aplicaciones en la industria para mejorar los rendimientos de plásticos, medicamentos y otras sustancias.
Los catalizadores activados mecánicamente fueron diseñados por Rint Sijbesma , profesor de química en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, en los Países Bajos, y se describen hoy en la revista Química de la naturaleza . Algunos catalizadores existentes pueden activarse mediante pulsos de calor o luz, lo que permite a los químicos un mayor control sobre el progreso de las reacciones químicas. Pero los nuevos catalizadores son el primer ejemplo de catalizadores activados por tensiones mecánicas.
Los catalizadores de Sijbesma aprovechan una propiedad de los polímeros que los químicos conocen desde hace muchos años. Cuando los polímeros se exponen a una fuerza lo suficientemente grande, se tensan y la tensión hace que se rompan los enlaces químicos. Sin embargo, es difícil controlar dónde se rompe el vínculo. Sijbesma diseñó polímeros a base de carbono que contienen dos catalizadores unidos por un átomo de metal. En este estado, los catalizadores están inactivos. El enlace carbono-metal es el más débil del polímero y, bajo estrés, es el que se rompe, dejando atrás los sitios catalíticos activos.
El acoplamiento entre la energía mecánica y la química sigue estando menos desarrollado que, digamos, la energía foto, térmica o eléctrica, dice Jeffrey Moore , profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. En 2007, Moore fue el primero en demostrar una reacción diseñada para ser iniciada por tensiones mecánicas. Pero esta reacción no involucró un catalizador y solo puede ocurrir una vez. Una vez que se activa el catalizador de Sijbesma, puede hacer que las reacciones sucedan una y otra vez. Es raro que se descubran y demuestren nuevos conceptos químicos de naturaleza tan fundamental, dice Moore.
Los investigadores de Eindhoven demostraron la activación mecánica de catalizadores para varias reacciones conocidas, incluida una utilizada en la síntesis de biocombustibles, una utilizada para cerrar anillos de carbono durante la producción de productos farmacéuticos y otra utilizada para abrir dichos anillos para fabricar plásticos duraderos.
Esta es una aplicación interesante de técnicas mecanoquímicas, dice Robert Grubbs , profesor de química en Caltech y ganador del Premio Nobel de Química 2005, que no participó en el trabajo de Eindhoven. En principio, podría encontrar aplicaciones en catálisis, dice Grubbs. Cuantas más herramientas tengan los químicos a su disposición para ajustar el progreso de las reacciones, más eficiente puede ser la producción química, dice Alshakim Nelson, químico de IBM. Centro de Investigación de Almaden . Nos da otro botón para sintonizar, dice.
Sijbesma dice que es probable que los primeros usos de los catalizadores sean en materiales autocurativos y sensores de tensión. La presencia de mucho estrés en un material indica que está a punto de fallar, dice. Nuestros catalizadores sensibles al estrés pueden reaccionar a esta señal iniciando una reacción de polimerización que refuerza el material precisamente en el lugar y el momento en que se necesita. Los revestimientos autorreparables evitarían que los automóviles, barcos y puentes se oxidaran sin necesidad de reaplicaciones frecuentes.
Si bien este trabajo es emocionante, todavía se encuentra en las primeras etapas, advierte Moore. Los catalizadores se demostraron en soluciones líquidas, con pulsos de ultrasonidos que suministran la tensión mecánica. Todavía existe una brecha significativa entre la activación por ultrasonido en solución y el desarrollo de un material mecanorresistente, dice Moore.